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快速无损智能充电器的设计

作者:时间:2014-01-17来源:网络

当前的快速充电器不能遵循蓄电池自身的特性进行快速充电,致使析气多,温升大,缩短电池的使用寿命。针对上述问题,创新性地提出应用ANFIS对电池的可接受电流进行预测,保证电池在最佳充电速率下充电。详细介绍以单片机为核心,完成新型的设计,具有电流检测和控制等功能。样机测试表明,充电过程中析气少,温升低,充电效率高,解决了充电速率与电池寿命之间的矛盾。

  根据马斯定理,对电池进行充电,充电电流应等于或接近于当前电池所能接受的电流大小,以保证析气率最低,减少快速充电过程中对电池的损害。近来,先进的智能控制技术被引入到快速充电技术中,用于停充电控制或充电模式选择,提高控制精度和充电效率;但没有考虑电池自身的充电特性,缺乏自适应能力,不能跟踪电池充电特性的改变而动态调节充电电流,导致充电电流大于电池能接受的电流,致使温升过高对电池造成损害。为此,需要设计一种新型的,能对电池进行安全、无损、快速充电。

  深入研究快速充电理论,从镍镉电池特性出发,创新性地提出引入自适应模糊神经网络(ANFIS)对电池在不同荷电状态下的可接受电流进行预测,从而调整实际充电电流;同时,充电中加入负脉冲去极化。在此基础上,采用英飞凌公司的单片机及外围接口电路提出一种新型的快速无损的设计方案。

1 镍镉电池充电过程特性研究

单节镍镉电池的充电曲线如图1所示。整个充电过程大致可分为4个阶段。快速无损智能充电器的设计

图1 镍镉电池充电特性曲线

当电池的端电压低于1.2 V达到A点时,应立即停止放电,放电过深将导致温升大。在充电过程中,主要的充电阶段是A-B段,整个电池70%以上的能量都在这个阶段充入,电压上升速率慢。同时,在A-B段电化学反应以一定的速率氧气,氧气又以同样的速率与氢气复合,所以,电池内部的温升和气体压力都较低。这段时间适宜采用大电流快速充电,但其充电电流必须小于电池的可接受电流,否则将产生大量析气,降低充电效率,温升过高,致使损害电池。而在B-C段电池的端电压上升很快,这时电池内阻抗增加,适宜减小充电电流。在C-D段则进入停充阶段,注意及时进行停充检测并阶段进行,在O-A阶段采用小电流预充电;当达到A点时,进入快速充电阶段,这里采用大电流脉冲智能充电;在B-C段小电流补充充电,最后到C-D段停充检测。

2 快速无损充电策略

文献中提到蓄电池可以简单的看作一个超大阻容器,电池的充电过程就可以看作一个RC电路的充电过程,其时间常数τ表征了充电的快慢,也就相当于马斯曲线中的衰减比α,则有τ=1/α。充电中电池的可接受电流的大小只与初始电流I0有关,当t=3τ后,电池的可接受充电电流约为I0/20;当充电到t=5τ时,其时电池的可接受电流已经很小。

由此,提出利用自适应模糊神经网络ANFIS预测电池的可接受电流。在电池的快速充电过程中,根据电池的荷电状态预测其可接受电流,保证充电电流符合马斯的最佳充电曲线,析气率低,对电池无损害。ANFIS预测电池的可接受电流基本思想是:在充电过程中,动态检测电池的状态参数作为ANFIS预测模型的输入,通过模糊推理得出当前的可接受电流ick,当预测值ick与期望值icp的误差不满足要求时,自适应模糊控制器产生控制响应,通过神经网络的自学习能力,自适应地修正隐含层的输出结果,更新各层之间的连接权值,优化模糊参数,重新计算输出结果,直至误差满足要求才输出预测结果,从而改变当前的充电电流,使实际的充电电始终逼近或等于可接受电流。同时,引入负脉冲充电消除极化效应。

3 硬件设计

系统硬件电路主要包括电源电路、充电/放电电路、电流检测和保护控制电路的3部分。

3.1 电源电路

为了缩小体积,提高系统的功率密度,选用PowerIntegrations公司生产的TOPSwitch-Ⅱ系列TOP224Y设计电源电路。该系列开关电源芯片是将PWM控制电路、保护电路和功率开关集成到同一芯片上,具有集成度高、工作效率高和外围电路设计简单的特点,非常方便于150 W以下的反激型开关电源设计。电源电路如图2所示。快速无损智能充电器的设计

图2 24V/40W电源电路

设计的性能指标如下:

1)输入电压:Uac=220(1±20%)V;2)输入电压频率:f=50(1±5%)Hz;3)输出电压/最大输出功率:24 V/40 W;4)开关电源效率:η≥80%.

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